2020年環(huán)保工程師專業(yè)知識重點(diǎn)考點(diǎn):離子交換
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2020年環(huán)保工程師專業(yè)知識重點(diǎn)考點(diǎn):離子交換的基本原理
水處理中主要采用離子交換樹脂和磺化煤用于離子交換。其中離子交換樹脂應(yīng)用廣泛,種類多,而磺化煤為兼有強(qiáng)酸型和弱酸型交換基團(tuán)的陽離子交換劑。
離子交換樹脂按環(huán)保特征,分為:凝膠型、大孔型和等孔型;
按樹脂母體種類,分為:苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;
按其交換基團(tuán)性質(zhì),分為:強(qiáng)酸型、弱酸型、強(qiáng)堿型和弱堿型。
⑴離子交換樹脂的構(gòu)造
是由空間網(wǎng)狀環(huán)保骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團(tuán)所構(gòu)成的不溶性高分子化合物?;钚曰鶊F(tuán)遇水電離,分成兩部分:固定部分,仍與骨架牢固結(jié)合,不能自由移動,構(gòu)成所謂固定離子,活動部分,能在一定范圍內(nèi)自由移動,并與其周圍溶液中的其他同性離子進(jìn)行交換反應(yīng),稱為可交換離子。
⑵基本性能
①外觀
呈透明或半透明球形,顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等,
②交聯(lián)度
指交聯(lián)劑占樹脂原料總重量的百分?jǐn)?shù)。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機(jī)械強(qiáng)度等有決定性影響,一般水處理中樹脂的交聯(lián)度為7%~10%.
③含水率
指每克濕樹脂所含水分的百分率,一般為50%,交聯(lián)度越大,孔隙越小,含水率越少。
④溶脹性
指干樹脂用水浸泡而體積變大的現(xiàn)象。一般來說,交聯(lián)度越小,活性基團(tuán)越容易電離,可交換離子的水合離子半徑越大,則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質(zhì)濃度越高,樹脂溶脹率就越小。
在生產(chǎn)中應(yīng)盡量保證離子交換器有長的工作周期,減少再生次數(shù),以延長樹脂的使用壽命。
⑤密度
分為干真密度、濕真密度和濕視密度
⑥交換容量
是樹脂最重要的性能,是設(shè)計(jì)離子交換過程裝置時(shí)所必須的數(shù)據(jù),定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。
⑦有效ph范圍
由于樹脂的交換基團(tuán)分為強(qiáng)酸強(qiáng)堿和弱酸弱堿,所以水的ph值對其電離會產(chǎn)生影響,影響其工作交換容量。弱堿只能在酸性溶液中以及弱酸在堿性溶液中有較高的交換能力。
⑧選擇性
即離子交換樹脂對水中某種離子能優(yōu)先交換的性能。除與樹脂類型有關(guān)外,還與水中濕度和離子濃度有關(guān)。
⑨離子交換平衡
離子交換反應(yīng)是可逆反應(yīng),服從質(zhì)量作用定律和當(dāng)量定律。經(jīng)過一定時(shí)間,離子交換體系中固態(tài)的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應(yīng)達(dá)到平衡,其平衡常數(shù)也稱為離子交換選擇系數(shù)。降低反應(yīng)生成物的濃度有利于交換反應(yīng)的進(jìn)行。
⑩離子交換速率
主要受離子交換過程中離子擴(kuò)散過程的影響。
其他性能:如溶解性、機(jī)械強(qiáng)度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶于水,機(jī)械強(qiáng)度用年損耗百分?jǐn)?shù)表示,一般要求小于3%~7%/年。另外,溫度對樹脂機(jī)械強(qiáng)度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機(jī)械強(qiáng)度下降,陽離子比陰離子耐熱性能好,鹽型比酸堿型耐熱好。
⑶樹脂層離子交換過程
以離子交換柱中裝填鈉型樹脂,從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例,以交換柱的深度為橫坐標(biāo),以樹脂的飽和度為縱坐標(biāo),可繪得某一時(shí)刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言,樹脂層的變化可分為三個階段。
1.2離子交換裝置運(yùn)行方式
離子交換裝置按運(yùn)行方式不同,分為固定床和連續(xù)床
⑴固定床的構(gòu)造與壓力濾罐相似,是離子交換裝置中最基本的也是最常用的一種型式,其特點(diǎn)是交換與再生兩個過程均在交換器中進(jìn)行,根據(jù)交換器內(nèi)裝填樹脂種類及交換時(shí)樹脂在交換器中的位置的不同,可分為單層床、雙層床和混合床。
單層床是在離子交換器中只裝填一種樹脂,如果裝填的是陽樹脂,稱為陽床;如果裝填的是陰樹脂,稱為陰床。
雙層床是離子交換器內(nèi)按比例裝填強(qiáng)、弱兩種同性樹脂,由于強(qiáng)、弱兩種樹脂密度的不同,密度小的弱型樹脂在上,密度大的強(qiáng)型樹脂在下,在交換器內(nèi)形成上下兩層。
混合床則是在交換器內(nèi)均勻混雜的裝填陰、陽兩種樹脂,由于陰、陽樹脂混雜,因此原水流經(jīng)樹脂層時(shí),陰、陽兩種離子同時(shí)被樹脂所吸附,其產(chǎn)物氫離子和氫氧根離子又因反應(yīng)生成水而得以降低,有利于交換反應(yīng)進(jìn)行的徹底,使得出水水質(zhì)大大提高。但其缺點(diǎn)是再生的陰、陽樹脂很難徹底分層。于是又發(fā)明了三層混床新技術(shù),保證在反洗時(shí)將陰、陽樹脂分隔開來。
根據(jù)固定床原水與再生液的流動方向,又分為兩種形式,原水與再生液分別從上而下以同一方向流經(jīng)離子交換器的,稱為順流再生固定床,原水與再生液流向相反的,稱為逆流再生固定床。
順流再生固定床的構(gòu)造簡單,運(yùn)行方便,但存在幾個缺點(diǎn):在通常生產(chǎn)條件下,即使再生劑單位耗量二至三倍于理論值,再生效果也不太理想;樹脂層上部再生程度高,而下部再生程度差;工作期間,原水中被去除的離子首先被上層樹脂所吸附,置換出來的反離子隨水流流經(jīng)底層時(shí),與未再生好的樹脂起逆交換反應(yīng),上一周期再生時(shí)未被洗脫出來的被去除的離子,作為泄漏離子出現(xiàn)在本周期的出水中,所以出水剩余被去除的離子較大;而到了了工作后期,由于樹脂層下半部原先再生不好,交換能力低,難以吸附原水中所有被去除的離子,出水提前超出規(guī)定,導(dǎo)致交換器過早地失效,降低了工作效率。因此,順流再生固定床只選用于設(shè)備出水較小,原水被去除的離子和含鹽量較低的場合。
逆流再固定床的再生有兩種操作方式:一是水流向下流的方式,一是水流向上流的方式,逆流再生可以彌補(bǔ)順流再生的缺點(diǎn),而且出水質(zhì)量顯著提高,原水水質(zhì)適用范圍擴(kuò)大,對于硬度較高的水,仍能保證出水水質(zhì),所以目前采用該法較多。
總起來說,固定床有出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn),但固定床離子交換器存在三個缺點(diǎn):一是樹脂交換容量利用率低,二是在同設(shè)備中進(jìn)行產(chǎn)水和再生工序,生產(chǎn)不連續(xù),三是樹脂中的樹脂交換能力使用不均勻,上層的飽和程度高,下層的低。
為克服固定床的缺點(diǎn),開發(fā)出了連續(xù)式離子交換設(shè)備,即連續(xù)床。
⑵連續(xù)床又分為移動床和流動床
移動床的特點(diǎn)是樹脂顆粒不是固定在交換器內(nèi),而是處于一種連續(xù)的循環(huán)運(yùn)動過程中,樹脂用量可減少三分之一至二分之一,設(shè)備單位容積的處理水量還可得到提高,如雙塔移動床系統(tǒng)和三塔移動床系統(tǒng)。
流動床是運(yùn)行完全連續(xù)的離子交換系統(tǒng),但其操作管理復(fù)雜,廢水處理中較少應(yīng)用。
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